JP4383191B2 - 金属板の打ち抜き加工用工具 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板などの金属板を打ち抜き加工する際に用いる工具に関するものである。

鋼板などの金属板の、加工形態の一つに伸びフランジ加工がある。図１はその一例を示すもので、（ａ）に示す被加工材１１の穴１２に対して、（ｂ）に示す要領で球頭などの工具１３を押し込んでフランジ１４を成形する。
この加工に際しては、金属板（被加工材ともいう）１１に穴１２を設ける工程が必要である。その方法には、打ち抜きや、ドリルなどを用いた切削の適用が考えられるが、生産性の観点からは専ら前者が優位であり、広く用いられている。

一方、最近、産業上の要求から被加工材も変遷を遂げてきている。特に自動車などの輸送機器の分野では、性能を損なわない軽量化を指向する動きが強く、そうした流れに応じて高強度な材料を用いることで使用する材料の厚さを減じようとする試みが一般化している。
材料の高強度化が伸びなどの成形性の低下を伴うことはある程度不可避なことであるから、その影響は様々な加工の難易度にも現れる。伸びフランジ加工も例外ではなく、軟質な材料では問題なく成形出来ていたフランジの成形が、成形は出来ても板厚を貫通する亀裂が発生したり、その発生を回避しようとすると所望のフランジ高さが得られなかったりするなどの成形不良に見舞われることが多くなって来た。

こうした事例は、打ち抜きによって穴を設けた場合に顕著であることが知られている。その主たる理由は、打ち抜きによって設けられた穴は、ドリルなどを用いて設けられた切削穴に比べて、伸びフランジ成形に対して「低品位」であるからと指摘されている。
図２を使って具体的に説明する。図２は、打ち抜き加工の工程を示す模式図である。金属板（被加工材ともいう）２１は同図（ａ）に示すように打ち抜きダイ２２上に置かれ、続いて打ち抜きパンチ２３が降下して同図（ｂ）のように打ち抜き穴が加工され、打ち抜かれたスクラップ２４が被加工材から分離する。この過程を更に詳細に見れば、同図（ｃ）のように、パンチ２３が被加工材２１に食い込むことによって剪断面が形成される初期段階と、工具の先端部分に応力が集中してクラックが発生し、それらが伝播、結合して破断面を形成する第二段階が存在し、その結果、同図（ｄ）に示すような剪断面２５と破断面２６で構成される打ち抜き穴が加工されることが理解できる。ここで破断面２６は粗度が大きく、かつ場合によっては微細なクラックなどの欠陥が存在するので、これが打ち抜き加工に次いで行われる伸びフランジ加工時の、亀裂の起点になったり、また亀裂の伝播を促進する欠陥となったりすると考えられている。これに対して切削で加工された穴にはこうした欠陥などの問題点は存在しない。このことが打ち抜きで加工された穴が伸びフランジ加工に対してより低品位であるとされる所以である。

打ち抜き加工された穴の破断面に、伸びフランジ加工に対して好ましくない欠陥が存在する確率、あるいは欠陥の存在量は、被加工材が高強度化し、延性が低下する程に増すことが明らかとなっており、材料の高強度化要求と如何にして整合させるかが大きな課題となっている。

こうした問題の解決に取り組んだ技術が幾つか知られている。例えば特許文献１には、先端部に所定の面取りを施した打ち抜きパンチ（ポンチ）を用い、かつクリアランスを所定の範囲内にすることによって打ち抜き割れの発生を防止する方法が開示されている。
特許文献２には、先端部に所定の条件を満たす凸部を有する打ち抜きパンチ（ポンチ）を用い、かつクリアランスを所定の範囲内にすることによって打ち抜き割れの発生を防止する方法が述べられている。
特許文献３には、先端部に、穴開け部（切刃）とそれに続く切削部を設けた打ち抜きパンチ（ポンチ）を用いることで穴開け直後に破断面を切削して平滑にし、伸びフランジ加工時の割れ発生を防止する技術が提案されている。

これらは何れも高い工業的価値を有し、一定の効果は有するものの、特許文献１および特許文献２の技術では、パンチの耐久性、すなわち切刃の所謂切れ味の、繰り返し使用に対する持続性が、これらの細工を施さないパンチに対して劣るという問題がある。また、両技術は、被加工材のパンチ側の表面近傍に加工硬化を付与することを主眼の一つとするものであるから、材料の加工性をそれによってより多く損なうことは明らかで、その程度によっては伸びフランジ性を十分に改善できない可能性を含んでいる。

一方、特許文献３の技術は、打ち抜き加工と、一般に縁仕上げ（シェービング）と呼ばれる加工を組み合わせて一つの工具（パンチ）で連続的工程として行うことを提案したものである。しかし一般に、縁仕上げ加工で完全な平滑面を得るには、パンチとダイにクリアランスを与えないことが必要とされており、その条件を満足しつつ部品の加工を行うには、工具相互と被加工材に非常に高い精度での位置決めが求められ、結果的に生産性が大幅に低くなることが懸念される。

このように、これまでに提案・開示されている技術には問題点があり、また、十分に検討されていない下記のような問題点も存在する。
本発明者らの研究によれば、破断面の欠陥も勿論伸びフランジ加工時の割れの原因となるが、それと同程度に、被加工材の加工硬化による加工性の劣化も影響していることが明らかとなった。特に、ダイ側表面近傍の穴縁部の加工硬化状況が高い割合で影響していることが明らかとなった。
そこで、当該部分の加工硬化を出来るだけ抑制することが優れた伸びフランジ性を確保する上で重要であることを見出したが、そうした点に言及した例は見当たらない。
特開平８-５７５５７号公報 特開平８-９９１３１号公報 特開平６-３９４５０号公報

本発明者らは、上述した問題を解決し、被加工材のダイ側表面近傍の、穴縁部の加工硬化を出来るだけ抑制する打ち抜き加工方法を開発すべく鋭意研究を重ねた。その結果、円形の打抜き穴を有するダイの面上に、穴中心から見て外側に切刃（端部）側よりも軟質な部分を設けることによって、打抜き時に当該部位の加工硬化を抑制できることを発明した。こうした工具（ダイ）であれば、ダイの切刃の、切れ味の劣化に何ら影響せず、すなわち工具の耐久性を損ねることもなく、かつ特別な生産性の劣化も引き起さないことも見出した。

本発明はこうした知見に基づいて更に検討し、望ましい条件を明らかにすることでなされたものであり、
（１）内側に円形の打ち抜き穴を有するダイとパンチからなる金属板の打ち抜き加工用工具において、金属板と接するダイの面上に、前記打ち抜き穴と同心円状に周辺領域より硬さが１０％以上小さい領域を有し、前記領域の幅Ｗ（ｍｍ）と、前記打ち抜き穴の先端から前記領域の最内部までの半径方向の距離ｄ _ｉ （ｍｍ）とが以下の式（イ）〜（ハ）を満たすことを特徴とする金属板の打ち抜き加工用工具。
（イ） ３．５≧Ｗ≧０．８
（ロ） ｄ _ｉ ≧０．５
（ハ） Ｗ≧２×ｄ _ｉ −３
（２）前記ダイの周辺領域より硬さが１０％以上小さい領域が、レーザー光の照射により形成されていることを特徴とする（１）の金属板の打ち抜き加工用工具。
を要旨とするものである。

本発明の打ち抜き工具を用いれば、被加工材のダイ側表面近傍の、穴縁部の加工硬化を従来法に比べて抑制することが出来、高い伸びフランジ性を得ることが出来る。また、それによって生産性の低下を伴うこともない。

本発明者らは、被加工材のダイ側表面近傍の、穴縁部の加工硬化が生じる機構を詳細に調査した。その結果、当該部分の加工硬化は、複数の要因で生じるが、そのうち最も寄与が大きいものは、打ち抜き工具が被加工材に接し、剪断が開始するまでの極めて短時間に生じる衝撃的な力であることが明らかとなった。そこで、そうした衝撃力を緩和する工具を種々検討し、最終的に、被加工材と接するダイの面上に、打ち抜き穴より外側の領域に、打ち抜き穴先端の切刃先端円と同心円状に軟質領域を存在させ、ダイの切刃を含むダイの穴縁部分が打ち抜き開始の瞬間に穴内部に僅かに撓るようにすると、金属板の加工硬化が大幅に緩和でき、その結果として伸びフランジ性も向上することを見出した。

軟質領域は図３(ａ)に示すように同心円状に全周にわたって存在することが必要である。同図で軟質領域の境界として描画した線は、硬さが軟質領域以外の領域の平均硬さより１０％小さい位置を結んだ線である。実際の硬さは、同図(ｂ)に硬さの減少量が等しい位置を結んだ線を例示するように分布しているが、本発明では１０％以上硬さが小さい領域を軟質領域と定義する。硬さはどのような測定方法で決定されてもよい。ビッカース硬さやロックウエル硬さなどを用いることが出来る。

軟質領域の幅（半径方向の長さ）Ｗと、ダイの切刃先端から同領域の最内部までの半径方向の距離ｄ_ｉは、３.５≧Ｗ≧０.８、ｄ_ｉ≧０.５、およびＷ≧２×ｄ_ｉ−３の３式を満たしていることが必要である。これらの条件は実施例にて述べる実験に基づいて見出されたものであり、Ｗが０.８ｍｍ未満、またはＷ＜２×ｄ_ｉ−３では加工硬化を抑制する効果が少なく、結果として伸びフランジ性が改善されない。一方、Ｗが３.５ｍｍ超では打ち抜かれた端面のバリが大きくなるとともに、ダイの耐久性が劣化するので好ましくない。また、ｄ_ｉが０.５ｍｍ未満では切刃部分が脆弱となり、ダイが極めて短寿命となるので避けるべきである。
なお、軟質領域の表面からの深さは特に限定しないが、軟質領域幅の０.５倍〜１.５倍程度が望ましい。

本発明の工具（ダイ）を得るには、実施例の中で述べるように、常法に基づいて製作された工具の所定の部位に対してレーザー光を照射し、部分的に軟化熱処理する方法が有効である。しかしながら、同様にレーザー光を用いる方法として、軟質としたい領域以外の部分にのみレーザー光を照射して焼入れ硬化させる方法も用いることが出来る。
また、被加工材に当該部分の輪郭が転写されることを厭わない場合には、軟質領域相当の凹部を設けることも出来る。

引張強さが８１０ＭＰａ、厚さが２.６ｍｍの鋼板を用いて行った実施例について説明する。
まず、被加工材として、上記の鋼板を１５０ｍｍ×１５０ｍｍに切断したものを複数枚用意した。これら被加工材に対して、切刃円内径３０ｍｍのダイを用いて対角線の中心と穴の中心を揃えて打ちぬき加工を行った。パンチの直径（切刃径）は、クリアランスが約１１.５％となる２９.４ｍｍとした。

次に、上記のように打ち抜かれた被加工材を、頂角６０°の円錐パンチを使用して伸びフランジ加工し、その過程を目視で観察した。そして、亀裂が板厚を貫通した時点で加工を直ちに停止した。伸びフランジ加工前の内径をｄ_０、加工後のそれをｄとして、（ｄ−ｄ_０）／ｄ_０×１００（％）を拡径率λと定義した。一条件に付き、５枚を試験して各々λを求め、そのうちの最大と最小を除いた３点の平均値をその条件におけるλとした。
打ち抜き工具の材質は全ての試験で同一であり、市販のＳＫＤ１１製を用いた。被加工材と接する面のビッカース硬さ（軟質領域を有するダイについてはそれを設ける前）は７５０〜７８０の範囲内に分布していた。

軟質領域を有するダイは、レーザー光を用いた軟化熱処理（焼戻しまたは焼き鈍し）によって作製した。ＹＡＧレーザー（波長１.０６μｍ）を使用し、出力、照射光径、および照射部位の円周方向の移動速度などを変化させて、照射部位の到達温度と冷却速度を種々組み合わせ、軟質領域の生成状態が異なるダイを作製した。
軟質領域の幅および位置は、まず切刃円の中心を通る、４５°間隔の８本の線上の硬さを、切刃端から０.１ｍｍの位置から０.２５ｍｍ間隔で測定し、次に隣り合う測定点間の硬さは一律に変化するものとして、平均の硬さより硬さが１０％減少する点を求めて決定した。ビッカース硬さを用い、荷重は９．８Ｎで測定した。

軟化領域を作製しなかったダイ（従来品）を用いた際のλを基準にして、軟化領域を設けたダイを使って打ち抜いた鋼板のλを評価した。図４は、軟質領域の最内部までの距離ｄ_ｉと軟質領域の幅Ｗを座標軸にλの向上代を示したグラフである。λの向上代は、従来品でのλをλ_０、軟化領域を設けたダイでのλをλ_Ｓとして、Ｒ＝（λ_Ｓ−λ_０）／λ_０×１００（％）を求め、Ｒが１５％以上を白丸（〇）、Ｒが１５％未満を黒丸（●）で表した。
図４から明らかなように、軟質領域Ｗが０.８ｍｍ以上、かつ最内部までの距離ｄ_ｉとの間にＷ≧２×ｄ_ｉ−３なる関係を有する場合において、伸びフランジ性の改善効果が高い。一方、Ｗが３.５ｍｍ超では打ち抜かれた端面のバリが大きくなり、λが安定せず（バラツキが大きい）、かつダイの被加工材と接する面の平坦度が次第に低下する問題点が生じた。また、ｄ_ｉが０.５ｍｍ未満では切刃部分が僅かな使用回数を経ただけで掛け落ちる障害が発生した。こうした理由から本発明の範囲を定めた。

伸びフランジ加工を示す模式図である。 打ち抜き加工による穴あけ加工の工程と、加工された穴について説明する図面である。 軟質領域を有するダイを表す模式図である。 軟質領域の幅と同領域の最内部までの距離を座標軸にして伸びフランジ性の改善される範囲を示したグラフである。

符号の説明

１１：被加工材（金属板）
１２：穴（打ち抜き穴）
１３：球頭パンチ
１４：フランジ
２１：被加工材（金属板）
２２：ダイ
２３：パンチ
２４：スクラップ
２５：剪断面
２６：破断面

Claims (2)

1. 内側に円形の打ち抜き穴を有するダイとパンチからなる金属板の打ち抜き加工用工具において、金属板と接するダイの面上に、前記打ち抜き穴と同心円状に周辺領域より硬さが１０％以上小さい領域を有し、前記領域の幅Ｗ（ｍｍ）と、前記打ち抜き穴の先端から前記領域の最内部までの半径方向の距離ｄ _ｉ （ｍｍ）とが以下の式（イ）〜（ハ）を満たすことを特徴とする金属板の打ち抜き加工用工具。
   （イ） ３．５≧Ｗ≧０．８
   （ロ） ｄ _ｉ ≧０．５
   （ハ） Ｗ≧２×ｄ _ｉ −３
2. 前記ダイの周辺領域より硬さが１０％以上小さい領域が、レーザー光の照射により形成されていることを特徴とする請求項１記載の金属板の打ち抜き加工用工具。

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